Från de praktfulla röda nyanserna i Grand Canyon till den vardagliga rosten som attackerar en försummad cykel, järnhydroxider finns runt omkring oss. I själva verket de är lika vanliga som kvarts, som är det mest spridda mineralet på planeten.

Forskare vet att järnhydroxider kan fånga tungmetaller och andra giftiga material, och att järnoxider också kan vara naturliga halvledare. Även om dessa egenskaper tyder på många tillämpningar, alla detaljer om hur järnhydroxider bildas på ett kvartssubstrat har gömts i en sorts "svart låda" - fram till nu.

Young-Shin Jun, en professor i energi, miljö- och kemiteknik vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, har utarbetat ett sätt att öppna den lådan och observera ögonblicket järnhydroxid bildas på kvarts.

Hennes forskning publicerades i Miljövetenskap och teknik .

"Detta berättar historien om födelsen av järnhydroxid, sa Jun.

När människor talar om "bildning, " vanligtvis talar de om att ett ämne växer. Innan tillväxt, dock, det måste finnas något att växa. Var kommer den första biten järnhydroxid ifrån?

Först, tillräckliga prekursorelement måste finnas på plats. Sedan kan komponenterna gå samman för att bilda en stabil kärna som kommer att bli en liten fast partikel av järnhydroxid, kallas partiklar i nanoskala. Processen kallas fast kärnbildning.

Vetenskapen har ett fast grepp om summan av dessa två processer - kärnbildning och tillväxt, tillsammans känd som "nederbörd" - och deras summa har använts för att förutsäga järnhydroxids bildningsbeteende. Men dessa förutsägelser har i stort sett utelämnat separat övervägande av kärnbildning. Resultaten "var inte tillräckligt exakta, " sa Jun. "Vårt arbete ger en empiri, kvantitativ beskrivning av kärnbildning, inte en beräkning, så att vi kan tillhandahålla vetenskapliga bevis om denna felande länk."

Detta bidrag öppnar många viktiga möjligheter. Vi kan bättre förstå vattenkvaliteten vid dräneringsplatser för sura gruvor, minska membrannedsmutsning och bildning av rörledningar, och utveckla mer miljövänliga supraledarematerial.

Jun kunde titta in i den svarta lådan med nederbörd genom att använda röntgenstrålar och en ny experimentell cell som hon utvecklade för att studera miljörelevanta komplexa system med mycket vatten, joner och substratmaterial, observera kärnbildning i realtid.

Arbetar på Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory i Lemont, Illinois, Jun använde en röntgenspridningsteknik som kallas "betesincidens med liten vinkelröntgenspridning." Genom att lysa röntgenstrålar på ett underlag med en mycket ytlig vinkel, nära den kritiska vinkeln som tillåter total reflektion av ljus, denna teknik kan upptäcka det första uppträdandet av nanometerstora partiklar på en yta.

Tillvägagångssättet är så nytt, Jun sa, att när hon diskuterar sitt labbs arbete med kärnbildning, "Folk tror att vi håller på med datormodellering. Men nej, vi undersöker det experimentellt i det ögonblick det händer, " sa hon. "Vi är experimentella observatörer. Jag kan mäta den initiala punkten för kärnbildning."

Hennes empiriska metod avslöjade att de allmänna uppskattningar som forskare har använt överskattar mängden energi som behövs för kärnbildning.

"Järnhydroxid bildas mycket lättare på mineralytor än vad forskare trodde, eftersom mindre energi behövs för kärnbildning av höghydratiserade fasta ämnen på ytor, sa Jun.

Vidare, att ha ett exakt värde kommer också att bidra till att förbättra reaktiva transportmodeller – studiet av materialförflyttning genom en miljö. Till exempel, vissa material kan binda giftiga metaller, hindra dem från att komma in i vattendrag. En uppdaterad reaktiv transportmodell med mer exakt kärnbildningsinformation kommer att få betydande konsekvenser för forskare av vattenkvalitet som arbetar för att bättre förutsäga och kontrollera föroreningskällor. "Järnhydroxid är det huvudsakliga lagringsförvaret för dessa föroreningar, "jun sa, "och att känna till deras ursprung är avgörande för att förutsäga deras öde."

För högteknologiska tillverkningsanläggningar, att ha en mer exakt förståelse för hur järnoxider eller -hydroxider bildas kommer att möjliggöra en mer effektiv – mindre slösaktig – produktion av järnbaserade supraledare.